在防治风蚀的同时可能加剧水蚀：农田防护林在东北黑土区的双重作用

《CATENA》：Controlling wind erosion while potentially exacerbating water erosion: The dual role of farmland shelterbelts in the black soil region of Northeast China

　　**摘要**- 防护林带在强风蚀区比弱风蚀区表现出更好的防风效果。- 防护林带导致84%的农田采用顺坡和横坡垄作方式。- 防护林带可能通过改变垄作方式加剧坡面水土流失。**引言**土壤侵蚀被广泛认为是土地退化的主要驱动因素（Li等，2021）。由于干扰强度大且植被覆盖率低，农业土壤更易受侵蚀（Blanco-Sepúlveda等，2021；Ebabu等，2022）。全球许多地区的农业用地，如黄土高原和中国东北黑土区、美国中部平原、东欧以及阿根廷的潘帕斯草原，正遭受风蚀和水蚀的复合侵蚀（Borrelli等，2023；Van Pelt等，2017；Vangeli等，2025；Zhang等，2018；Zheng等，2019）。这些过程严重影响了土地生产力和可持续发展（Borrelli等，2017）。非生长季节频繁的强风和低地面覆盖是导致农田严重风蚀的主要原因（Dong等，2024；Ji和Fan，2024；Zheng等，2019）。农田防护林带通过摩擦和产生湍流有效降低风速，对全球范围内减轻耕地风蚀和改善土壤特性至关重要（Amichev等，2020；Brandle等，2004；Heath等，1999；Shen等，2016；Tianjiao等，2023；Zhai等，2023）。影响防护林带防风效果的要素包括其三维结构、孔隙率、间距和朝向（Brandle等，2004；Heisler和Dewalle，1988；Workman等，2002；Zhu，2008）。具体而言，防护林带朝向与风向之间的夹角影响相互作用面积，从而调节防护林带降低风速的能力。一般来说，对于单排防护林带，当防护林带与风向垂直时防风效果最佳。当防护林带的法向量与风向之间的夹角超过30°时，防风效果显著下降（Heisler和Dewalle，1988；Wang和Takle，1996）。然而，对于网格状或U形防护林带，即使在45°斜风条件下也能保持良好的防风效果（Song，1998；Wang等，2024a）。水是驱动耕地土壤侵蚀的另一个主要力量。农业用地的水蚀强度主要受降水、地形、土壤特性、地表覆盖和耕作活动等因素影响（Liu等，2024）。垄作是一种常见的农业实践，会改变地表粗糙度和径流过程，显著影响耕地的水蚀强度。坡面上的径流倾向于沿垄沟流动而非顺坡而下（Takken等，2001）。垄向与坡向之间的空间关系影响集水面积，从而改变侵蚀强度（Tang等，2022b）。当垄向与坡向平行时，径流沿垄沟向下流动，动能增加，主要导致沟蚀和面蚀（Mou等，2022）。当垄向与坡向斜交时，径流在垄的低点处积聚，最终冲破垄墙，造成浅蚀或沟蚀（Liu等，2014；Sang等，2020；Tang等，2021；Tang等，2022a；Xu等，2018）。等高垄作（垄线与等高线平行）可拦截水流并促进下渗，在非极端降水事件期间有效减少土壤侵蚀（Stevens等，2009；Tang等，2022b）。东北黑土区是中国重要的商品粮生产基地，玉米和大豆产量占全国总产量的三分之一以上。然而，耕地开垦与地形特征（长缓坡）以及气候因素（如融雪径流、强风和集中降雨事件）的叠加，使黑土遭受水力和风力驱动的复合侵蚀，严重威胁了粮食安全和生态稳定（Borrelli等，2023；Borrelli等，2017；Zheng等，2019）。20世纪70年代，中国政府启动了"三北防护林工程"，东北黑土区成为大规模农田防护林建设的重要实施区域。这些防护林带的朝向设计仅考虑防风蚀，主要考虑与盛行风向垂直排列以最大化防风效果。最初，东北黑土区的防护林带主要集中在西南平原地区，平坦的地形意味着防护林带的朝向对水蚀几乎无影响（Zhai等，2023）。然而，随着耕地向东北丘陵地区扩展且工程推进（Xie等，2019），防护林带也被建立在丘陵区的农田中。当防护林带位于坡面上时，它通常成为农机开垄的参考线。这通常导致农田的垄向与防护林带平行，从而改变坡面径流过程并影响坡面水蚀强度（Su等，2012a）。防护林带对坡面水蚀的影响仍有争议。Deng等（2015）认为增加防护林带的密度可有效减轻沟蚀强度。然而，一些研究指出防护林带可在其下游一定距离内产生侵蚀区（Fang和Wu，2018；Wen等，2024）。防护林带朝向不当会影响垄沟方向，进一步加剧坡面水蚀（Fang，2021；Su等，2012b）。为明确农田防护林带对水蚀的影响，本研究选择松嫩典型黑土区（SBSR）作为研究区。该区域是东北黑土区的核心部分，正遭受强烈的风水复合侵蚀。本研究的目的是：(1) 基于抽样调查和遥感影像解译，分析2010年至2020年防护林带的现状和变化特征；(2) 评估防护林带朝向与风向之间的关系以评价防风效果；(3) 分析防护林带朝向、地形与农田垄向之间的关系，探讨这种配置是否可能加剧坡面水蚀，从而为农田防护林带建设提供更全面的科学依据。**章节摘要****研究区域**中国东北的SBSR位于丘陵向平原的过渡带，总面积约10.1×103 km2（Liu等，2008）。地形呈现南北高、中间低的格局，海拔范围52–675 m，平均海拔236 m。区域坡度从0°到77°不等，平均坡度为1.7°。区域地形特征的差异使其可划分为低山...**2020年农田防护林带的空间分布特征**混淆矩阵表明，与实地调查结果相比，遥感提取防护林带的总体精度为96.9 ± 0.07%，MCC为0.93 ± 0.002，表明提取可靠性高。此外，提取结果显示，在137个调查单元中，65.7%包含农田防护林带。共识别出601条防护林带，总长度278.8 km，总面积4.68 km2。根据空间...**在风蚀强度较高的地区，防护林带具有更好的防风效果**防护林带的密度、更新和维护是确保其防风效益的基础。2020年，SBSR的防护林带密度（图2）和10年净增长率（图3）在空间上整体呈现西南高、东北低的格局。这一格局与风蚀强度的空间分布（图5a）相匹配。在侵蚀强度较高的地区，10年间防护林带的数量呈增长趋势...**结论**通过抽样调查和解译2010年和2020年的遥感影像，本研究分析了SBSR防护林带的特征，包括其密度、坡位、朝向以及与风向和耕作垄向的空间关系，并评估了其对风蚀和水蚀的影响。过去10年新增防护林带的数量和2020年防护林带的密度在南部较高，在北部较低...**CRediT作者贡献声明****程汉全：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。**谢云：** 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。**唐杰：** 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取。**罗登南：** 验证，调查。**张瑞：** 可视化，验证。**徐俊杰：** ...**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的 competing financial interests 或可能影响本文报告工作的个人关系。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（编号：42477342）、国家自然科学基金青年基金（编号：42307425）和北京师范大学珠海校区重大科研项目补充基金（编号：ZHPT2023013）的支持。作者列表：程汉全 | 谢云 | 唐杰 | 罗登南 | 张瑞 | 徐俊杰 | 李凯 | 罗万国 | 张萌